麥偉民 孫晨暉
常州市城市照明管理處（213022）
摘 要：目前，LED的控制系統(tǒng)復(fù)雜，材料采購難度大，維修周期長；如果發(fā)生燈具廠家不配合或倒閉情況，LED將無法修復(fù)，嚴(yán)重影響整體效果且大大浪費(fèi)資源。本項(xiàng)目的研發(fā)為LED燈具及控制系統(tǒng)的互換提供可能性，讓照明控制更加完善可靠，將基于DMX512協(xié)議的照明主控器的軟件和硬件實(shí)行統(tǒng)一，方便照明設(shè)施的維修以及更換，將以往的各廠家各自負(fù)責(zé)部分控制改變統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞： LED 多兼容 DMX512協(xié)議控制
近年來，發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes，LED)由于其全固態(tài)、長壽命、低電壓驅(qū)動(dòng)、體積小以及重量輕等特點(diǎn)，使之在民用及工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。二十世紀(jì)八九十年代，智能樓宇的興起將智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶到了一個(gè)全新的高度。
調(diào)光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定具有劃時(shí)代的意義，這也引起了眾多商家在效仿DMX512協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)更加出色的調(diào)光協(xié)議，智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研發(fā)領(lǐng)域出現(xiàn)了欣欣向榮、百花爭艷的局面。
DMX512協(xié)議控制器支持DMX512協(xié)議接口，可外接DMX512設(shè)備遠(yuǎn)距離控制。但目前市場上多數(shù)LED終端控制器生產(chǎn)廠家采用了變異的DMX512協(xié)議，控制器的接口、協(xié)議五花八門，控制器的功能、質(zhì)量良莠不齊，使得一般的DMX512協(xié)議控制器無法兼容多個(gè)不同廠家的LED燈具。因此，尋求一種多兼容LED照明控制器顯得至關(guān)重要。
1. 照明控制器分析1.1 DMX512協(xié)議控制器的組成
兼容DMX512協(xié)議控制器主要由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是與LED終端控制器相連的協(xié)議分控制器，另一個(gè)是在控制中心的主控制器。
1.1.1控制器的方框圖
1.2 方案設(shè)計(jì)
方案一：微處理器芯片
一般微處理器自帶的接口只有一到兩個(gè)，一般都不會(huì)超過4個(gè)。所以在本項(xiàng)目中，要想實(shí)現(xiàn)多達(dá)16個(gè)接口，如只用一片微處理器芯片是不夠的，如果用多片微處理器芯片來實(shí)現(xiàn)16個(gè)接口的話，是可以實(shí)現(xiàn)的，但是用多片微處理器芯片，接口之間協(xié)調(diào)性不高，如需同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性不高，而且多片微處理器芯片都需要有各自獨(dú)立的軟件來控制，所以用這個(gè)方案的話，可行性不高。
方案二：IO口模擬多接口
一片微處理器芯片，如ARM微處理器，雖然只有為數(shù)不多的接口，但有些人提出可以用軟件模擬的方法，把一般的IO口做成接口，這樣就可以把ARM變成很多個(gè)接口了，這個(gè)方案看起來不錯(cuò)，但是經(jīng)過實(shí)際的測試，發(fā)現(xiàn)模擬出來的接口穩(wěn)定性不高，而且波特率不能設(shè)置得很高，所以用軟件模擬的方案也不太可行。
方案三：FPGA實(shí)現(xiàn)多接口
上個(gè)世紀(jì)末出現(xiàn)的FPGA經(jīng)過二十多年的發(fā)展,由于其具有用戶可編程的特性,已逐漸被市場所接受。使用PLD(可編程邏輯器件)來開發(fā)數(shù)字電路,可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,減少PCB面積,提高系統(tǒng)的可靠性。我們可以自己在FPGA的軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)下設(shè)計(jì)多接口擴(kuò)展。利用FPGA實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展的另一優(yōu)勢在于可以利用FPGA芯片剩余的資源空間,將其他功能模塊整合在一塊FPGA上,這樣就很好的節(jié)約了成本 ,這種優(yōu)勢是其它方案所無法比擬的。
所以在本項(xiàng)目方案中，擬采用FPGA來實(shí)現(xiàn)16個(gè)接口，ARM微處理器收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)分析處理就可以通過FPGA的多個(gè)接口將DMX512協(xié)議發(fā)送到各個(gè)LED終端控制器，實(shí)現(xiàn)LED的控制。
2.關(guān)鍵技術(shù)
2.1 基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用ARM和FPGA實(shí)現(xiàn)DMX512協(xié)議控制，其中ARM主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，人機(jī)交互，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)DMX512協(xié)議。在起先的硬件設(shè)計(jì)中，主控和分控之間的通信采用的是RS485通信方式，認(rèn)為RS485通信方式簡單、易開發(fā)、成本低。所以在第一版硬件設(shè)計(jì)中，采用的就是RS485通信。后來在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種通信方式的帶寬不夠，簡單的計(jì)算如下，假如場景速率按照每秒10幀來計(jì)算的話，一個(gè)分控最多可有16個(gè)DMX512通道，RS485通信是串行通信方式，所以每秒要在這個(gè)串行線上傳輸?shù)膸陀?60個(gè)，要想在這一秒內(nèi)傳輸完160個(gè)幀的話，每幀占用的時(shí)間大約為6ms，相應(yīng)的傳輸位速率為1us，波特率為1M，而采用RS485通信方式的話是達(dá)不到這么快的，所以這種方案失敗了。在第二版的硬件設(shè)計(jì)中，主控和分控間的通信換成了速率為10M的以太網(wǎng)通信，采用這種通信方式后，速率的瓶頸得以解決，一個(gè)主控可以帶多個(gè)分控。
2.2 FPGA與ARM的接口設(shè)計(jì)
ARM是高速處理器，是串行設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)控制，協(xié)議解析等工作，當(dāng)然也可以產(chǎn)生控制時(shí)序，但DMX512時(shí)序是一種慢速時(shí)序，用ARM實(shí)現(xiàn)會(huì)大大的降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為此系統(tǒng)利用FPGA的并行優(yōu)勢，用FPGA來產(chǎn)生DMX512控制時(shí)序，再在ARM和FPGA之間架設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)串行處理器與并行處理器的無縫連接。
FPGA與ARM之間主要用于傳輸DMX512亮度數(shù)據(jù)，同時(shí)也傳送一些控制命令，狀態(tài)數(shù)據(jù)等，傳送數(shù)據(jù)為8位。FPGA連接在ARM的GPIO總線上，如圖7。由于DMX512設(shè)備為慢速設(shè)備，ARM為高速處理器，為了提高ARM的效率，在FPGA內(nèi)部開辟RAM空間作為DMX512亮度數(shù)據(jù)的緩存，一個(gè)DMX512數(shù)據(jù)包為512字節(jié)，共有16路，所以在FPGA內(nèi)部開辟了512*16B的空間即可。
2.3 DMX512模塊
在FPGA中要實(shí)現(xiàn)16路DMX512控制時(shí)序，然后通過RS485芯片轉(zhuǎn)成差分信號輸出。FPGA內(nèi)部先實(shí)現(xiàn)一個(gè)DMX512時(shí)序模塊，對于FPGA來說并行處理是它的最大優(yōu)勢，設(shè)計(jì)好DMX512模塊后，再實(shí)例化15個(gè)相同模塊即可。FPGA的DMX512信號輸出為單一信號，通過MAX485芯片，將其轉(zhuǎn)化為符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的差分信號。模塊結(jié)構(gòu)如圖8。
圖8 FPGA內(nèi)部DMX512模塊
2.4 協(xié)議破譯
協(xié)議破譯是指拿到燈具以后，能判斷出該燈具所采用的是哪種協(xié)議，進(jìn)而能用本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)去控制它。
首先查看原廠控制器是采用哪種協(xié)議的，從而可推斷出該燈是用什么協(xié)議工作的，一般燈的協(xié)議都采用的是DMX512協(xié)議，有區(qū)別的是可能是某些字節(jié)的定義有不同的含義，每個(gè)燈具所占的通道數(shù)可能不一樣，RGB的排列方式也可能不一樣。這些工作是需要一點(diǎn)點(diǎn)去破解的，當(dāng)把燈的通道數(shù)和RGB的排列方式都知道后，則可以編輯場景文件，去自由地控制燈的變化了。
破解工具1：示波器（硬件），通過示波器截獲RS485通信線的電信號，分析通信的波特率，字節(jié)位數(shù)，有無奇偶校驗(yàn)位等。
破解工具2: 接口數(shù)據(jù)分析軟件，在破解工具1的基礎(chǔ)上，獲取十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析協(xié)議的每一個(gè)字節(jié)的定義及其含義。
2.5 場景軟件數(shù)據(jù)的高壓縮
通用場景生成軟件生成的數(shù)據(jù)文件一般有數(shù)M，我們解析了此文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找到一種高效的壓縮方法，使得壓縮文件只有原文件的1%左右，這樣主控與分控之間的數(shù)據(jù)傳送的壓力大為減輕。對網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求可以降低了很多。分控只要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的場景變化。
3. 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)
3.1 兼容多種變異的DMX512協(xié)議
DMX512協(xié)議控制器支持DMX512協(xié)議接口，可外接DMX512設(shè)備遠(yuǎn)距離控制。包含DMX512解碼器，可設(shè)定地址，可接收標(biāo)準(zhǔn)DMX512信號。但目前市場上多數(shù)LED終端控制器生產(chǎn)廠家采用了變異的DMX512協(xié)議，使得一般的DMX512協(xié)議控制器無法兼容多個(gè)不同廠家的LED終端控制器。我們研發(fā)成功的DMX512協(xié)議控制器可支持多個(gè)不同廠家的LED終端，目前已有15個(gè)品種，即15個(gè)不同的DMX512變異協(xié)議。通過解析這些廠家的LED終端的通信協(xié)議，將其寫入SD卡中，我們的DMX512協(xié)議控制器根據(jù)SD卡中存儲(chǔ)的通信協(xié)議格式，就可以不用對程序做任何修改，實(shí)現(xiàn)對不同廠家的LED終端的控制。
3.2 基于TCP/IP的ARM+FPGA雙處理器架構(gòu)
我們選擇了一款具備MAC(介質(zhì)訪問控制)接口的CORTEX-M3 ARM芯片——LM3S6965，可以實(shí)現(xiàn)TCP/IP功能，也就是說你在北京，控制器在常州，只要能上網(wǎng)，你可以控制常州的LED終端的場景。主控和分控之間通過以太網(wǎng)的連接，通過路由器。理論上講一臺(tái)主控器可以接232個(gè)分控器。
FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構(gòu)成，一個(gè)FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。
我們在分控器中采用FPGA實(shí)現(xiàn)16個(gè)接口的高速數(shù)據(jù)發(fā)送，F(xiàn)PGA接收ARM處理器的信息，包括場景信息、通信協(xié)議格式和參數(shù)配置等。
通過FPGA技術(shù)及ARM技術(shù)兩者的結(jié)合，全面提升了控制器系統(tǒng)的性能，使整個(gè)系統(tǒng)的工作效率、控制實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技術(shù)的先進(jìn)性。
3.3 16個(gè)485接口
DMX512協(xié)議控制器是通過RS485總線發(fā)出控制命令的，一個(gè)485接口可以接入512個(gè)地址，“512”之名由此而來。如果一個(gè)燈具有8個(gè)RGB三色模塊，則要占24個(gè)地址，那么一個(gè)接口最多只能接21盞燈。
目前市場上的DMX512協(xié)議控制器最多只有8路接口，而我們實(shí)現(xiàn)了16路接口，也就是說一個(gè)分控可以接336盞燈(每個(gè)燈具24個(gè)地址)。從8路接口到16路接口在技術(shù)上是一突破，因?yàn)檎加梦⑻幚砥鞯馁Y源加倍了，另外還要實(shí)現(xiàn)這16個(gè)接口的同步發(fā)送也非易事。
4. 研發(fā)過程
4.1 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)
4.2 工程現(xiàn)場研發(fā)
4.3產(chǎn)品樣機(jī)
4.4 產(chǎn)品試運(yùn)行
5.取得的效益
5.1通用性
本項(xiàng)目研究成功的多兼容LED照明控制器可以兼容各類DMX512協(xié)議的不同燈具廠家的控制器。那么原本需要N家控制器才能控制的復(fù)雜景觀照明體系，可以簡化為同一家控制器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了良好的通用性。不但解決了控制器之間的兼容問題，還將有效了實(shí)現(xiàn)了資源整合的可持續(xù)發(fā)展理念，在科技創(chuàng)新和綠色照明的今天，有著非常實(shí)際的意義。
5.2節(jié)能性
本項(xiàng)目研究成功的多兼容LED照明控制器能夠?qū)崿F(xiàn)各種效果的編輯，可以根據(jù)不同的需求，設(shè)置三大類的效果：節(jié)日模式、平常模式、節(jié)能模式。尤其是節(jié)能模式的設(shè)置，可以通過黑底流星、明暗漸變、交替流水等不同的效果來控制燈具，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這種方式不但具有良好的觀賞效果，更能較大程度的節(jié)約能源，符合綠色照明的實(shí)施理念。
5.3穩(wěn)定性
本項(xiàng)目研究成功的多兼容LED照明控制器簡化了元器件的使用，使得故障點(diǎn)大大降低。尤其是控制器的統(tǒng)一，使得弱電線路明顯減少，信號干擾和互相兼容的問題幾乎可以避免，使得產(chǎn)品在使用過程中的傷害程度降到了最低，穩(wěn)定性大大提高。
6.結(jié)語
多兼容LED照明控制器的研發(fā)成功，為維修保養(yǎng)節(jié)約了成本，避免因燈具廠家的原因而廢棄大量LED燈具。同時(shí)也為規(guī)范LED照明控制市場LED控制器的市場前景廣闊，每年僅常州市場LED控制器（包括主控、分控）的更換量要達(dá)到幾千臺(tái)，推廣至全省、全國，銷售規(guī)模更加龐大。再加上LED燈具戶外使用的復(fù)雜性和易損壞性，控制器的更換和使用將是一個(gè)長期的持續(xù)性的過程，該項(xiàng)目的推廣前景十分樂觀。
